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碳水化合物又称糖类，是由碳、氢、氧组成的一大类化合物。根据分子结构的不同可分为糖、低聚糖（寡糖）和多糖。糖包括单糖（丙糖、丁糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等）、双糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖等）和糖醇（甘露醇、山梨醇等）；低聚糖主要包括低聚异麦芽糖、海藻糖、低聚果糖、低聚大豆糖等；多糖分为淀粉多糖（淀粉、糖原、抗性淀粉等）、非淀粉多糖（纤维素、半纤维素、果胶、树胶等）、活性多糖（人参多糖、真菌多糖、香菇多糖等）和结合多糖（糖脂和糖蛋白）。
碳水化合物是生命细胞的重要组成成分和主要供能物质，并承担调节细胞活动的重要功能。机体内碳水化合物主要以葡萄糖、糖原和含糖复合物的形式存在。碳水化合物的生理功能主要与摄入食物中碳水化合物的种类及其在体内的存在形式有关。
碳水化合物是人类获取能量的最主要、最经济来源，1g碳水化合物在体内完全氧化分解约可产生16.7kJ（4kcal）能量。糖原是碳水化合物在体内的储存形式，在肝和肌肉中含量最高。碳水化合物来源广泛、耐贮存，在体内消化、吸收、利用较其他物质迅速、完全、安全。它不但是肌肉活动时最有效的燃料，而且还是心脏、脑、红细胞、白细胞等重要组织细胞唯一的能量来源，对维持机体正常功能、增强耐力、提高工作效率具有重要意义。
碳水化合物是构成机体组织的重要物质，如核糖、脱氧核糖是细胞中核酸的重要成分；糖脂是组成神经组织与细胞膜的重要成分；糖蛋白是抗原、抗体、酶、激素等重要活性物质的组成成分。
脂肪在体内代谢产生的乙酰基必须与草酰乙酸结合进入三羧酸循环才能被彻底氧化，而草酰乙酸是葡萄糖代谢的中间产物，如膳食中碳水化合物摄入过少，一方面，草酰乙酸供应减少，脂肪不能完全氧化导致酮体过多积聚体内引起酮血症。另一方面，机体为满足能量需要，大量动员脂肪，也会增加酮体的产生。因此，膳食中充足的碳水化合物可以防止碳水化合物缺乏时脂肪代谢不完全而形成过多的酮体，这一作用称为碳水化合物的抗生酮作用。
人体首先利用碳水化合物作为能量来源，当碳水化合物摄入不足时，能量供给不能满足机体需要，部分膳食蛋白质或组织蛋白将被分解用以供能。摄入充足的碳水化合物，可减少蛋白质以供能为目的的消耗，增加氮在体内的储备，有利于更多蛋白质发挥其参与组织构成等更为重要的生理功能，这就是碳水化合物对蛋白质的节约作用或称节氮作用。此外，碳水化合物供给充足，机体产生足够的三磷酸腺苷（ATP），也有利于氨基酸的主动转运。
利用碳水化合物的各种性质可加工出色、香、味、形各异的食品。例如糖和氨基化合物可以产生美拉德反应，使食品具有特殊的色泽和香味，如面包表面的金黄色和香气；吸收缓慢、脂肪含量较高的玉米等碳水化合物还可以增加饱腹感。
经糖醛酸途径生成的葡萄糖醛酸，是体内一种重要的解毒剂，在肝中能与细菌毒素、酒精、砷等诸多有害物质结合，以消除或减轻这些物质的毒性或生物活性。摄入充足的碳水化合物可增加肝糖原，增强机体对有害物质的解毒作用；某些不能在小肠消化吸收的碳水化合物，不但能刺激肠道蠕动，本身还可在结肠发酵，产生短链脂肪酸，并选择性刺激肠道菌群增殖，提高肠道的消化吸收功能，这些不能被消化的碳水化合物也常被称为“益生元”。
结合世界粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）的建议和我国居民的膳食习惯，我国居民除2岁以下婴幼儿外，膳食中碳水化合物供能以占总能量的55%～65%为宜，并应来自不同种类食物不同形式的碳水化合物。精制糖摄入量成人以≤25g/d为宜，一般不超过总能量的10%。2002年，我国居民营养与健康状况调查结果表明谷类食物占摄入能量比重下降，此膳食构成趋势应注意扭转。
碳水化合物主要来源于植物性食物。多糖主要来源于谷类、根茎类、豆类、坚果类；单糖、双糖除一部分存在于天然食物中外，大多数以成品或半成品的形式直接摄取。动物性食物中，除肌肉和肝外，只有乳类可提供一些碳水化合物。常见食物的碳水化合物含量详见表1-1。
表1-1 常用食物的碳水化合物含量（g/100g）
1981年加拿大营养学教授Jenkins等首先提出一个用以衡量碳水化合物对血糖反应的有效指标即血糖指数（GI），又称血糖生成指数。1997年FAO和WHO专家委员会将其定义为含50g碳水化合物的食物血糖应答曲线下面积与同一个体摄入含50g碳水化合物的标准食物（葡萄糖或白面包）血糖应答曲线下面积之比。选择GI合适的食物有助于控制血糖、体重、血压，改善胃肠功能。GI还可用于指导运动员合理饮食和指导食物碳水化合物消化吸收的研究等。现临床上血糖指数的应用范围较广。